DE4214555A1 - Arrangement for an electrothermal ink print head - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen elektrothermischen Tintendruckkopf in Schichtbauweise, bei dem die Ausbreitungsrichtung der elektrothermisch erzeugten Dampfblase der Tintenausstoßrichtung entgegengesetzt ist.The invention relates to an arrangement for an electrothermal Layered ink printhead in which the direction of propagation the electrothermally generated vapor bubble of the ink ejection direction is opposite.
Bekannte elektrothermische Tintendruckköpfe (Bubble-Jet-Prinzip) weisen eine Vielzahl von Einzeldüsen auf, aus denen unter Einwirkung einer elektronischen Steuerung Einzeltröpfchen definierter Größe erzeugt und in einem definierten Muster in Richtung eines Aufzeichnungsträgers ausgestoßen werden.Known electrothermal ink print heads (bubble jet principle) a variety of individual nozzles, from which under the action of a electronic control generates single droplets of defined size and in a defined pattern in the direction of a record carrier be expelled.
Die zu druckenden Zeichen werden durch jeweils mehrere Tintentröpfchen erzeugt, die matrixförmig aneinander gereiht sind.The characters to be printed are each made up of several droplets of ink generated, which are lined up in a matrix.
Zweckmäßigerweise wird jeweils eine Spalte einer derartigen zeichenbezogenen Matrix gleichzeitig gedruckt, um die Forderungen nach hoher Druckgeschwindigkeit und gleichmäßigem Schriftbild zu erfüllen. One column is expediently one of such Character-related matrix printed simultaneously to meet the demands high printing speed and even typeface.
Ein Tintendruckkopf der sich für das geschilderte Druckverfahren eignet, muß also mehrere (gleiche) Elemente vereinigen, die in der Lage sind, Tintentröpfchen im Bedarfszeitpunkt auszustoßen ("drop-on-demand"-Prinzip). Charakteristisches Merkmal dieser Technologie ist, daß sich in einer mit Aufzeichnungsflüssigkeit, beispielsweise Tinte, gefüllten Kapillaren und zwar in der Nähe ihrer Öffnung ein als Heizelement ausgebildeter elektrischer Widerstand befindet. Wird diesem Heizelement mittels eines kurzen Stromimpulses eine bestimmte Wärmeenergie zugeführt, entsteht durch äußerst schnelle Wärmeübertragung auf die Tintenflüssigkeit zuerst eine sich rasch expandierende Tintendampfblase, die dann nach Wegfall der Energiezuführung und Abkühlung durch die Tintenflüssigkeit relativ schnell in sich zusammenfällt. Die durch die Dampfblase im Inneren der Kapillaren entstehende Druckwelle läßt einen Tintentropfen aus der Düsenöffnung auf die Oberfläche eines nahen Aufzeichnungsträgers austreten.An ink print head which is suitable for the described printing process suitable, must therefore combine several (same) elements that are capable are to eject droplets of ink when needed ("drop-on-demand" principle). Characteristic feature of this Technology is that in one with recording liquid, for example, ink, filled capillaries and close to their Opening an electrical resistor designed as a heating element located. Is this heating element by means of a short current pulse A certain amount of heat energy is supplied by extremely fast Heat transfer to the ink liquid first becomes rapid expanding ink vapor bubble, which after the removal of the Energy supply and cooling by the ink liquid relative quickly collapses. The through the vapor bubble inside the The pressure wave generated by the capillaries lets an ink drop out of the Nozzle opening on the surface of a nearby recording medium emerge.
Ein Vorteil dieses Bubble-Jet-Prinzips ist der, daß durch Ausnutzung des Phasenwechsels flüssig-gasförmig-flüssig der Tintenflüssigkeit die zum Tintenausstoß notwendige, relativ große und schnelle Volumenänderung mittels einer sehr kleinen aktiven Wandlerfläche erzeugt wird. Die kleinen Wandlerflächen wiederum erlauben bei Anwendung moderner Herstellungsverfahren, wie hochpräzise fotolithographische Prozesse in Schichttechnik, einen relativ einfachen und kostengünstigen Aufbau von Tintendruckköpfen, die sich durch hohe Schreibspurendichte und geringe Abmessungen auszeichnen.An advantage of this bubble jet principle is that by using the Phase change liquid-gaseous-liquid of the ink liquid to the Ink ejection necessary, relatively large and fast volume change is generated by means of a very small active transducer area. The small converter areas in turn allow for the use of modern ones Manufacturing processes such as high-precision photolithographic processes in Layer technology, a relatively simple and inexpensive construction of Ink printheads that are characterized by high trace density and low Mark out dimensions.
Aus der internationalen Anmeldung PCT/DE 91/00 364 ist ein Tintendruckkopf bekannt, der im wesentlichen aus einem Chip und einem Tintenvorratsbehälter besteht, wobei der Chip mittels Montageklammern auf den Tintenvorratsbehälter mechanisch arretiert ist. Dieser Chip weist dreiseitig geschlossene und zur vierten Seite hin offene Tintenkanäle auf, die durch dünne im wesentlichen trapezförmige Kanalzwischenwände voneinander getrennt sind. In Tintenausstoßrichtung besteht der Abschluß des jeweiligen Tintenkanals aus einer dünnen Membran, die ihrerseits die Ausstoßdüse des zugehörigen Tintenkanals aufweist. Eine Oberfläche des Tintenvorratsbehälters bildet den äußeren Abschluß der Tintenkanäle zur chipseitig offenen vierten Seite hin.From the international application PCT / DE 91/00 364 is a Ink printhead known, which consists essentially of a chip and a Ink reservoir exists, the chip using mounting brackets is mechanically locked onto the ink reservoir. That chip shows closed on three sides and open on the fourth side Ink channels through thin, essentially trapezoidal Channel partitions are separated. In the direction of ink ejection the end of the respective ink channel consists of a thin one Membrane, which in turn is the ejection nozzle of the associated ink channel having. One surface of the ink reservoir forms the outer one Completion of the ink channels towards the fourth side open on the chip side.
Wird ein Heizelement zur Erzeugung eines Tröpfchens angesteuert, führt dessen Erhitzung neben der Dampfblasenbildung zu einem lokalen Überdruck in dem jeweiligen Tintenkanal. Dieser Überdruck führt neben dem beabsichtigten Tröpfchenausstoß dazu, daß eine bestimmte Tintenmenge in Richtung der Versorgungskanäle zurückgedrückt wird. Das bedeutet, daß neben der zum Tröpfchenausstoß benötigten Energiemenge noch eine Verlustenergiemenge aufgebracht werden muß, die unter anderem beim Tintenrücktransport verbraucht wird. Diese Verlustenergiemenge verschlechtert den Gesamtwirkungsgrad des Tintendruckkopfes.If a heating element is triggered to generate a droplet, leads its heating in addition to the vapor bubble formation to a local Overpressure in the respective ink channel. This overpressure leads alongside the intended droplet discharge to the effect that a certain Amount of ink is pushed back towards the supply channels. The means that in addition to the amount of energy required to eject droplets still a loss of energy must be applied, among other things is consumed when returning the ink. This amount of lost energy deteriorates the overall efficiency of the ink printhead.
Darüber hinaus führt die rückgestoßene Tintenmenge zu einem lokalen Überdruck in den Versorgungskanälen und damit zur Beeinflussung benachbarter Tintenkanäle. Werden die benachbarten Tintenkanäle eines nicht angesteuerten Tintenkanals angesteuert, so kann es durch die entstehende Drucküberlagerung im nicht angesteuerten Kanal trotzdem zu einem unerwünschten Tröpfchenausstoß kommen.In addition, the repelled amount of ink leads to local Overpressure in the supply channels and thus for influencing adjacent ink channels. If the neighboring ink channels become one not controlled ink channel, so it can through the resulting pressure overlap in the uncontrolled channel nevertheless an unwanted droplet discharge.
Je nachdem, ob benachbarte Tintenkanäle angesteuert werden oder nicht, ändern sich die Druckverhältnisse im jeweiligen Tintenkanal und damit die resultierende Tropfenmasse und die Druckqualität.Depending on whether neighboring ink channels are controlled or not, change the pressure conditions in the respective ink channel and thus the resulting drop mass and print quality.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Tintendruckkopf anzugeben, der die bauartgemäßen Vorteile des beschriebenen Tintendruckkopfes beibehält und dabei einen besseren Wirkungsgrad aufweist und geeignet ist, betriebsartunabhängig eine gleichbleibend hohe Druckqualität zu ermöglichen.The invention is therefore based on the object of an ink print head specify the design advantages of the described Ink printhead and maintains better efficiency has and is suitable, constant regardless of the operating mode to enable high print quality.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ausgehend von einem trapezförmigen Tintenkanallängsschnitt, in dessen spitzem Winkel die Tintenzufuhr mit symmetrisch angeordneten Versorgungskanälen vorgesehen ist, jeder Tintenkanal des Tintendruckkopfes über separate Strömungsdrosseln mit dem jeweiligen Versorgungskanal verbunden ist.According to the invention this object is achieved in that starting from a trapezoidal ink channel longitudinal section, at its acute angle the ink supply with symmetrically arranged supply channels is provided, each ink channel of the ink print head via separate Flow restrictors is connected to the respective supply channel.
Dazu ist der Chip tintenvorratsbehälterseitig mit einer separaten Abschlußplatte abgedeckt, die Öffnungen zwischen ,den Tintenversorgungskanälen des Tintenvorratsbehälters und den Tintenkanälen des Chips aufweist. In einem der Elemente Chip und Abschlußplatte sind in der dem anderen Element zugewandten Oberfläche Ausnehmungen vorgesehen, die durch das jeweils andere Element abgedeckt werden, so daß kanalförmige Raumelemente entstehen. Diese kanalförmigen Raumelemente haben einen geringeren Querschnitt als alle anderen tintendurchflossenen Raumelemente, so daß sie wegen ihres Strömungswiderstandes als Drosselkanäle wirken.For this purpose, the chip is on the ink reservoir side with a separate one Cover plate covered, the openings between the Ink supply channels of the ink reservoir and the Has ink channels of the chip. In one of the elements chip and End plate are in the surface facing the other element Recesses provided, which are covered by the other element be, so that channel-shaped spatial elements arise. This channel-shaped Room elements have a smaller cross-section than all the others ink-infused room elements, so that because of their Flow resistance act as throttle channels.
Die Abschlußplatte besteht vorzugsweise aus Glas oder Kunststoffolie.The end plate is preferably made of glass or plastic film.
Die vorteilhafte Wirkung dieser Anordnung besteht darin, daß langsame Strömungsvorgänge, wie sie beim Befüllen oder Nachfüllen des Tintenkanals ablaufen, nahezu ungehindert vollzogen werden, aber hohen Druckspitzen wie sie während der Dampfblasenbildung entstehen ein hoher Widerstand entgegengesetzt ist. The advantageous effect of this arrangement is that slow Flow processes, such as when filling or refilling the Ink channel run out, but can be carried out almost unhindered high pressure peaks as they arise during the formation of vapor bubbles high resistance is opposed.
Die durch die Aktivierung der Heizelemente im Tintenkanal hervorgerufene Druckwelle bleibt im wesentlichen auf den jeweiligen Tintenkanal begrenzt und wird in einem höheren Maße in Tropfenausstoßenergie umgesetzt. Damit erhöht sich einerseits der Wirkungsgrad des jeweiligen Tintenkanals wesentlich und andererseits wird vorteilhafterweise die Beeinflussung benachbarter Tintenkanäle reduziert. Dadurch wird die Abhängigkeit der Tropfenmasse und Tropfengeschwindigkeit von der Ansteuerung benachbarter Tintenkanäle minimiert.By activating the heating elements in the ink channel caused pressure wave remains essentially on the respective Ink channel is limited and is in a higher degree Drop ejection energy implemented. On the one hand, this increases the Efficiency of the respective ink channel essential and on the other hand will advantageously influence adjacent ink channels reduced. This makes the dependence of the drop mass and Drop speed from the control of neighboring ink channels minimized.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Darstellungen zeigen:The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments explained. The representations required for this show:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines für die Anwendung der Erfindung besonders geeigneten Tintendruckkopfes, Fig. 1 is a schematic representation of a particularly suitable for the application of the invention, the ink print head,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch den Chip eines solchen Tintendruckkopfes, Fig. 2 is a section through the chip of such an ink jet print head,
Fig. 3 eine Explosivdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 3 is an exploded view of an embodiment of the inventive arrangement,
Fig. 4 eine Darstellung eines Chips mit erfindungsgemäß strukturierter Ätzmaske, Fig. 4 is a representation of a chip according to the invention with structured etching mask,
Fig. 5 eine Darstellung von aufeinanderfolgenden Prozeßschritten zur Herstellung von Drosselkanälen im Chip, Fig. 5 is a representation of successive process steps for the production of throttle channels in the chip,
Fig. 5 eine weitere Darstellung von aufeinanderfolgenden Prozeßschritten zur Herstellung von Drosselkanälen im Chip, Fig. 5 shows a further representation of successive process steps for the production of throttle channels in the chip,
Fig. 7a eine Darstellung der Ätzmaske für einen Tintenkanal, Fig. 7a is a representation of the etch mask for an ink channel
Fig. 7b eine Schnittdarstellung durch den ätzbereiten Chip längs der Schnittlinie II-II, FIG. 7b is a sectional view through the ätzbereiten chip along section line II-II,
Fig. 7c eine Ansicht eines geätzten Tintenkanals in Tröpfchenausstoßrichtung, Fig. 7c shows a view of an etched ink channel in droplet ejection direction,
Fig. 8 eine Schnittdarstellung durch eine gefügte Chip/Abdeckplatte-Einheit mit Ausnehmungen in der Abdeckplatte, Fig. 8 is a sectional view through a chip attached / cover plate assembly with recesses in the cover plate,
Fig. 9 eine Schnittdarstellung durch eine gefügte Chip/Abdeckplatte-Einheit mit Ausnehmungen im Chip, Fig. 9 is a sectional view through a chip attached / cover plate assembly with recesses in the chip
Fig. 10a eine Darstellung einer Ätzmaske für einen Tintenkanal, FIG. 10a is a representation of an etch mask for an ink channel
Fig. 10b eine Darstellung teilweise geätzter Strukturen für einen Tintenkanal. Fig. 10b is an illustration partially etched structures for an ink channel.
Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den Aufbau eines Tintendruckkopfes. Dieser besteht im wesentlichen aus nur zwei miteinander zu verbindenden Teilen, nämlich einem Chip 11, der sowohl die Heizelemente, die elektrischen Zuleitungen und die Kontaktstellen für den elektrischen Anschluß als auch die Auslaßöffnungen (Düsen) beinhaltet und als Abschluß auf einem Tintenvorratsbehälter befestigt und kontaktiert wird. Die in diesem Prinzipbild nicht dargestellten Heizelemente, die elektrischen Zuleitungen, die Kontaktstellen und die Auslaßöffnungen 10 können dabei in einem einzigen, vorzugsweise aus Silizium bestehenden Chip 11 im Nutzen durch planare Bearbeitungsschritte erzeugt werden. Fig. 1 shows a perspective view of the structure of an ink print head. This consists essentially of only two parts to be connected to one another, namely a chip 11 , which contains both the heating elements, the electrical supply lines and the contact points for the electrical connection and the outlet openings (nozzles) and is finally attached and contacted on an ink supply container . The heating elements, not shown in this basic diagram, the electrical feed lines, the contact points and the outlet openings 10 can be produced in a single chip 11 , preferably made of silicon, in use by planar processing steps.
Der Tintenvorratsbehälter 12 weist eine quaderförmige Gestalt auf, in das ein mit Tintenflüssigkeit getränktes Medium, z. B. ein Schwamm 13, eingebracht ist. Der dem Chip 11 zugewandten Oberseite des Tintenvorratsbehälters 12 sind mit Filtern 14 versehene Auslaßöffnungen in Form von zwei Versorgungskanälen 15 vorgesehen. Diese Versorgungskanäle 15 verlaufen parallel zueinander in Längsrichtung des Tintenvorratsbehälters 12 derart, daß sie bei einem montierten Chip 11 über die Tintenkanäle 16 in Fließverbindung mit den Auslaßöffnungen 10 stehen. Die Montage des Chips 11 auf den Tintenvorratsbehälter geschieht auf einfache Weise durch an den Längsseiten des Tintenvorratsbehälter 12 angeordneten Montageklammern 17, die sowohl die mechanische Verbindung als auch über die Kontaktstellen 9 die elektrische Kontaktierung übernehmen.The ink reservoir 12 has a cuboid shape in which a medium soaked with ink liquid, for. B. a sponge 13 is introduced. The top of the ink reservoir 12 facing the chip 11 is provided with outlet openings provided with filters 14 in the form of two supply channels 15 . These supply channels 15 run parallel to one another in the longitudinal direction of the ink reservoir 12 in such a way that they are in fluid communication with the outlet openings 10 via the ink channels 16 when a chip 11 is mounted. The assembly of the chip 11 on the ink supply container is done in a simple manner by means of mounting clips 17 arranged on the long sides of the ink supply container 12 , which take over both the mechanical connection and the electrical contacts via the contact points 9 .
Die Fig. 2 stellt einen Schnitt durch den Chip gemäß der Schnittlinie I-I in Fig. 1 dar. Insbesondere ist hier die geometrische Ausgestaltung eines Tintenkanals 16 zu erkennen, der parallele Wände mit schrägen Auslaufzonen 30 aufweist. FIG. 2 shows a section through the chip according to section line II in FIG. 1. In particular, the geometric configuration of an ink channel 16 can be seen here, which has parallel walls with inclined outlet zones 30 .
Wie auch aus Fig. 2 hervorgeht, ist dieser Tintenkanal 16 düsenseitig lediglich durch eine dünne Schicht des Chipsubstratmaterials membranartig abgeschlossen. In dieser Membran 3 ist die Auslaßöffnung 10 vorgesehen. Auf der dem Tintenkanal 16 abgewandten Seite der Membran 3 sind die Heizelemente angeordnet.As can also be seen from FIG. 2, this ink channel 16 is closed on the nozzle side only by a thin layer of the chip substrate material in the manner of a membrane. The outlet opening 10 is provided in this membrane 3 . The heating elements are arranged on the side of the membrane 3 facing away from the ink channel 16 .
Gemäß Fig. 3 ist in einer ersten Ausführungsform der Erfindung der Chip 11 des Tintendruckkopfes 24, der die Tintenkanäle 16 mit den Auslaßöffnungen 10 aufweist, um eine Abschlußplatte 1 ergänzt, die die Tintenkanäle 16 tintenvorratsbehälterseitig begrenzt. Die Abschlußplatte 1 weist Ausnehmungen 25 auf, die jeweils mit einer durchgehenden Öffnung 2 verbunden sind. Die Ausnehmungen 25 sind länglich, rinnenförmig und parallel angeordnet und ein Teil ihrer Längsausdehnung ist durch den Chip 11 bedeckt. Der verbleibende Teil ihrer Längsausdehnung ist deckungsgleich mit einem Teil der zur Anschlußplatte in den offenen Tintenkanäle 16. Die Ausnehmungen 25 können eine geringere Breite als die Tintenkanäle 16 haben. Die Öffnungen 2 sind im montierten Zustand mit den Versorgungskanälen 15 im Tintenvorratsbehälter 12 verbunden.Referring to FIG. 3 of the chip 11, adds the ink print head 24 having the ink channels 16 with the outlet openings 10 to an end plate 1 in a first embodiment of the invention, which defines the ink passages 16 the ink reservoir side. The end plate 1 has recesses 25 which are each connected to a through opening 2 . The recesses 25 are arranged in an elongated, channel-shaped and parallel manner and part of their longitudinal extent is covered by the chip 11 . The remaining part of its longitudinal extent is congruent with a part of that to the connection plate in the open ink channels 16 . The recesses 25 can have a smaller width than the ink channels 16 . In the assembled state, the openings 2 are connected to the supply channels 15 in the ink reservoir 12 .
Die Abschlußplatte besteht vorzugsweise aus Glas oder Kunststoffolie. Die Ausnehmungen 25 sind durch Ätzen oder Sandstrahlen eingebracht.The end plate is preferably made of glass or plastic film. The recesses 25 are made by etching or sandblasting.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Fig. 4 der Chip 11 in Vorbereitung auf den Ätzprozeß zur Herstellung der Tintenkanäle 16 mit einer Ätzmaske 18 versehen. Diese ätzmittelresistente Ätzmaske 18 weist Öffnungen 19 auf. Üblicherweise ist für jeden Tintenkanal 16 genau eine Ätzmaskenöffnung 19 vorgesehen, die die Grundrißgeometrie des Tintenkanals 16 aufweist, wobei nach dem Ätzprozeß die Ätzmaske 18 entfernt wird.In a further embodiment of the invention, the chip 4 is shown in FIG. 11 is provided in preparation for the etching process for the preparation of the ink channels 16 with an etching mask 18th This etchant-resistant etching mask 18 has openings 19 . Usually, exactly one etching mask opening 19 is provided for each ink channel 16 , which has the outline geometry of the ink channel 16 , the etching mask 18 being removed after the etching process.
Erfindungsgemäß ist für jeden Tintenkanal 15 eine Mehrzahl von Ätzmaskenöffnungen 19 vorgesehen. Die Mechanismen des anisotropen Ätzens in 110-Silizium bewirken, daß die Tintenkanäle 16 trotzdem die gleiche Geometrie aufweisen, wie beim üblichen Ätzverfahren.According to the invention, a plurality of etching mask openings 19 are provided for each ink channel 15 . The mechanisms of anisotropic etching in 110 silicon cause the ink channels 16 to still have the same geometry as in the conventional etching process.
Erfindungsgemäß verbleibt die Ätzmaske 18 auf dem Chip 11. Zumindest ein Teil der einem Tintenkanal 16 zugeordneten Ätzmaskenöffnungen 19 ist im Bereich der Tintenversorgung angeordnet.According to the invention, the etching mask 18 remains on the chip 11 . At least part of the etching mask openings 19 assigned to an ink channel 16 is arranged in the region of the ink supply.
In einer ersten Variante ist die Tintenversorgung durch die Versorgungskanäle 15 im Tintenvorratsbehälter 12 gegeben. Das Maß der Drosselwirkung wird durch die Breite der Versorgungskanäle 15 sowie die Anzahl und Größe der im Bereich der Versorgungskanäle 15 angeordneten Ätzmaskenöffnungen 19 bestimmt.In a first variant, the ink supply is provided through the supply channels 15 in the ink reservoir 12 . The extent of the throttling effect is determined by the width of the supply channels 15 and the number and size of the etching mask openings 19 arranged in the area of the supply channels 15 .
In einer zweiten Variante ist zur Tintenversorgung zwischen dem Chip 11 und dem Tintenvorratsbehälter 12 eine Abschlußplatte 1 gemäß Fig. 3 vorgesehen. Die Abschlußplatte weist Öffnungen 2 auf, die den Versorgungskanälen 15 im Tintenvorratsbehälter 12 zugeordnet sind. An die Öffnungen 2 sind Ausnehmungen 25 angeschlossen, die den Tintenkanälen 16 im Chip 11 zugeordnet sind. Das Maß der Drosselwirkung wird durch die Anzahl und Größe der im Bereich der Ausnehmungen 25 gelegenen Ätzmaskenöffnungen 19 bestimmt.In a second variant, an end plate 1 according to FIG. 3 is provided between the chip 11 and the ink reservoir 12 for supplying ink. The end plate has openings 2 which are assigned to the supply channels 15 in the ink reservoir 12 . Recesses 25 are connected to the openings 2 and are assigned to the ink channels 16 in the chip 11 . The measure of the throttling effect is determined by the number and size of the etching mask openings 19 located in the area of the recesses 25 .
In den Fig. 5a bis 5c sind aufeinanderfolgende Bearbeitungsstufen des Chips 11 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 5a eine Schnittdarstellung durch den Chip 11 in Längsrichtung des zu strukturierenden Tintenkanals, der mit einer Ätzmaske bestehend aus einer Schicht Siliziumdioxid 28 und einer Schicht Siliziumnitrid 29 versehen ist. Im Bereich des zu strukturierenden Tintenkanals sind die Nitridschicht 29 und die Oxidschicht 28 geöffnet. An der der Ätzmaske gegenüberliegenden Chipseite ist eine Ätzstoppschicht 27 eingebracht.In FIGS. 5a to 5c successive processing stages of the chip 11 are shown. Here, Fig. 5a is a sectional view of the chip 11 in the longitudinal direction of the ink to be structured channel with an etching mask consisting of a layer of silicon dioxide 28 and a layer of silicon nitride 29 is provided. The nitride layer 29 and the oxide layer 28 are open in the region of the ink channel to be structured. An etching stop layer 27 is introduced on the chip side opposite the etching mask.
Anschließend erfolgt ein erster anisotroper Ätzschritt zur teilweisen Strukturierung der Tintenkanäle 16. Dabei werden die Tintenkanäle 16 bis zu einer vorgegebenen Tiefe ×1 freigelegt. In einem nächsten Schritt wird die Ätzmaske an den Orten der zu strukturierenden Ausnehmungen 25 geöffnet. Dazu werden die Nitridschicht 29 und die Oxidschicht 28 an den vorgesehenen Stellen mit Hilfe eines Trockenätzprozesses beseitigt. Der darauf folgende Bearbeitungszustand ist in Fig. 5b dargestellt. Für eine Tiefe ×1 ist der Tintenkanal 16 gezeigt, dessen Umgebung in Längsrichtung von der Nitridschicht 29 und der Oxidschicht 28 befreit ist. Die Tiefe ×1 des Tintenkanals 16 hat die Ätzstoppschicht 27 noch nicht erreicht.A first anisotropic etching step is then carried out for the partial structuring of the ink channels 16 . The ink channels 16 are exposed to a predetermined depth × 1. In a next step, the etching mask is opened at the locations of the recesses 25 to be structured. For this purpose, the nitride layer 29 and the oxide layer 28 are removed at the intended locations using a dry etching process. The subsequent processing state is shown in Fig. 5b. The ink channel 16 is shown for a depth × 1, the vicinity of which is freed from the nitride layer 29 and the oxide layer 28 in the longitudinal direction. The depth × 1 of the ink channel 16 has not yet reached the etching stop layer 27 .
Anschließend erfolgt ein zweiter anisotroper Ätzschritt mit der Ätztiefe ×2 für den gesamten unmaskierten Bereich des Chips 11. Dabei werden die Tintenkanäle 16 bis zum automatischen Ätzstopp 27 strukturiert. Die Ätztiefe ×2 bestimmt bei vorgegebener Breite der Öffnungen in der Ätzmaske die Querschnittsfläche der Ausnehmungen 25.This is followed by a second anisotropic etching step with the etching depth × 2 for the entire unmasked area of the chip 11 . The ink channels 16 are structured up to the automatic etching stop 27 . For a given width of the openings in the etching mask, the etching depth × 2 determines the cross-sectional area of the recesses 25 .
Die Bearbeitungsstufe des Chips 11 nach dem zweiten anisotropen Ätzschritt ist in Fig. 5c dargestellt. Die Strukturierung des Tintenkanals 16 reicht bis zum Ätzstopp 27 und die Ausnehmungen 25 weisen eine Tiefe ×2 auf.The processing stage of the chip 11 after the second anisotropic etching step is shown in FIG. 5c. The structuring of the ink channel 16 extends to the etching stop 27 and the recesses 25 have a depth × 2.
In Weiterbildung des Bearbeitungsprozesses nach Fig. 5a bis c wird gemäß Fig. 6a in Vorbereitung auf den ersten anisotropen Ätzschritt die Nitridschicht 29 sowohl für die Tintenkanäle 16 als auch für die Ausnehmungen 25 geöffnet. Die Oxidschicht 28 wird nur für die Tintenkanäle 16 geöffnet. An der der Ätzmaske gegenüberliegenden Seite des Chips 11 ist die Ätzstoppschicht 27 eingebracht.In a further development of the editing process of Fig. 5 a to c is in accordance with Fig. 6a also opened in preparation for the first anisotropic etching step, the nitride layer 29 both for the ink channels 16 than the recesses 25. The oxide layer 28 is opened only for the ink channels 16 . The etching stop layer 27 is introduced on the side of the chip 11 opposite the etching mask.
Während des ersten anisotropen Ätzschrittes wird gemäß Fig. 6b der Tintenkanal 16 mit einer Ätztiefe ×1 strukturiert und gleichzeitig die Oxidschicht im Bereich der Ausnehmungen 25 bis auf eine Restoxidschicht 31 abgetragen.During the first anisotropic etching step, the ink channel 16 is structured with an etching depth × 1 as shown in FIG. 6b, and at the same time the oxide layer is removed in the region of the recesses 25 except for a residual oxide layer 31 .
Vor einem zweiten anisotropen Ätzschritt wird die Restooxidschicht 31 entfernt.The residual oxide layer 31 is removed before a second anisotropic etching step.
In dem zweiten anisotropen Ätzschritt werden die Ausnehmungen 25 auf eine Ätztiefe ×2 strukturiert und die Tintenkanäle 16 gemäß Fig. 6c, wenn diese die Ätzstoppschicht 27 im ersten Ätzschritt noch nicht erreicht haben, bis zur Ätzstoppschicht 27 vorangetrieben. In the second anisotropic etching step, the recesses 25 are structured to an etching depth × 2 and the ink channels 16 according to FIG. 6c, if they have not yet reached the etching stop layer 27 in the first etching step, are advanced to the etching stop layer 27 .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in die Ätzmaske gemäß Fig. 7a, bestehend aus Oxidschicht 28 und Nitridschicht 29, eine Ätzmaskenöffnung 19 so eingebracht, daß sowohl die Fläche für den zu strukturierenden Tintenkanal 16 als auch die Fläche für die Ausnehmungen 25 freigelegt sind.In a further embodiment of the invention, an etching mask opening 19 is introduced into the etching mask according to FIG. 7a, consisting of oxide layer 28 and nitride layer 29 , so that both the area for the ink channel 16 to be structured and the area for the recesses 25 are exposed.
In Fig. 7b ist eine Schnittdarstellung durch den Chip 11 entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 7a gezeigt, die die Lage der Nitridschicht 29 und der Oxidschicht 28 auf dem Chip 11 zeigt. An der der Ätzmaske gegenüberliegenden Seite des Chips 11 ist der Ätzstopp 27 eingebracht. FIG. 7b shows a sectional view through the chip 11 along the section line II-II in FIG. 7a, which shows the position of the nitride layer 29 and the oxide layer 28 on the chip 11 . The etching stop 27 is introduced on the side of the chip 11 opposite the etching mask.
Der Bearbeitungszustand des Chips 11 nach dem anisotropen Ätzen ist in Fig. 7c als ätzmaskenseitige Ansicht dargestellt. Der Tintenkanal 16 und die Ausnehmungen 25 weisen die gleiche Tiefe auf. In Längsrichtung sind beide durch schräge Auslaufzonen 30 begrenzt.The processing state of the chip 11 after the anisotropic etching is shown in FIG. 7c as an etching mask-side view. The ink channel 16 and the recesses 25 have the same depth. In the longitudinal direction, both are delimited by inclined outlet zones 30 .
Die Reduzierwirkung für den Tintendurchfluß wird mit der Breite der Ausnehmungen 25 dimensioniert.The reducing effect for the ink flow is dimensioned with the width of the recesses 25 .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Ätzmaske gemäß Fig. 10a mit drei Ätzmaskenöffnungen 19 pro Tintenkanal versehen, die durch Stege 20 voneinander getrennt sind. Die Ätzmaskenöffnungen 19 sind in Längsrichtung nacheinander angeordnet. Die mittlere Ätzmaskenöffnung 19 ist breiter als die beiden benachbarten und dient der Strukturierung des Tintenkanals. Durch die benachbarten schmalen Ätzmaskenöffnungen 19 werden die Ausnehmungen im Chip 11 strukturiert.In a further embodiment of the invention, the etching mask according to FIG. 10 a is provided with three etching mask openings 19 per ink channel, which are separated from one another by webs 20 . The etching mask openings 19 are arranged one after the other in the longitudinal direction. The middle etching mask opening 19 is wider than the two neighboring ones and serves to structure the ink channel. The recesses in the chip 11 are structured by the adjacent narrow etching mask openings 19 .
Durch anisotropes Ätzen werden gleichzeitig die Tintenkanäle 16 und die Ausnehmungen 25 aus dem Chip 11 herausgearbeitet. Dazu ist in Fig. 10b ein Bearbeitungszustand während des Ätzprozesses dargestellt. Durch Unterätzen der Stege 20 mit schrägen Auslaufzonen 30 verringert sich der tatsächliche Abstand des Tintenkanals 16 zu den Ausnehmungen 25 mit zunehmender Ätzdauer.The ink channels 16 and the recesses 25 are simultaneously machined out of the chip 11 by anisotropic etching. For this purpose, a processing state during the etching process is shown in FIG. 10b. By undercutting the webs 20 with inclined outlet zones 30 , the actual distance of the ink channel 16 from the recesses 25 decreases with increasing etching time.
Die Breite der Stege 20 ist so dimensioniert, daß sie kurz vor Beendigung des Ätzprozesses soweit unterätzt sind, daß eine Verbindung zwischen dem Tintenkanal 15 und den zugehörigen Ausnehmungen 25 entsteht.The width of the webs 20 is dimensioned such that shortly before the end of the etching process they are under-etched to such an extent that a connection is created between the ink channel 15 and the associated recesses 25 .
Der nach einem der Ausführungen gemäß den Fig. 5, 6, 7 oder 10 präparierte Chip 11 wird anschließend gemäß Fig. 8 mit einer Abschlußplatte 1 durch anodisches Bonden zusammengefügt. Die Abschlußplatte 1 weist Öffnungen 2 auf, die chipseitig im Bereich der Ausnehmungen 25 enden. Die Ausnehmungen 25 stehen in Verbindung mit dem Tintenkanal 15, der bis zum Ätzstopp 27 strukturiert ist.The chip 11 prepared according to one of the embodiments according to FIGS. 5, 6, 7 or 10 is then joined according to FIG. 8 to an end plate 1 by anodic bonding. The end plate 1 has openings 2 which end on the chip side in the region of the recesses 25 . The recesses 25 are connected to the ink channel 15 , which is structured up to the etching stop 27 .
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8 gezeigt. Ein gemäß Fig. 2 präparierter Chip 11 ist durch anodisches Bonden mit einer Abschlußplatte 1 zusammengefügt. Die Abschlußplatte 1 weist Öffnungen 2 auf, die in Ausnehmungen 25 für jeden Tintenkanal 16 fortgeführt und durch die Oberfläche des Chips 11 abgedeckt sind. Die Ausnehmungen 25 sind durch Sägeschnitte in die; aus Glas bestehende Abschlußplatte 1 eingearbeitet, sind teilweise durch die Oberfläche des Chips 11 bedeckt und versorgen alle Tintenkanäle 16.Another embodiment of the invention is shown in FIG. 8. A chip 11 prepared according to FIG. 2 is joined to an end plate 1 by anodic bonding. The end plate 1 has openings 2 , which are continued in recesses 25 for each ink channel 16 and are covered by the surface of the chip 11 . The recesses 25 are by saw cuts in the; glass end plate 1 incorporated, are partially covered by the surface of the chip 11 and supply all ink channels 16th
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist gemäß Fig. 11 jeder Tintenkanal 16 beidseitig seiner Längsausdehnung um einen im wesentlichen dreieckförmigen Bereich 33 erweitert, der jeweils mit dem zugehörigen Tintenkanal 16 über ein Raumelement mit geringem Querschnitt, als Drossel 32 bezeichnet, verbunden ist. Die Drosseln 32 und die Bereiche 33 sind wie die Tintenkanäle 16 in dem Chip 11 strukturiert. Der Chip 11 ist tintenvorratsbehälterseitig durch eine Abschlußplatte 1 abgedeckt. Die Abschlußplatte 1 weist Öffnungen 2 auf, die den Versorgungskanälen 15 sowie den erweiterten Bereichen 33 zugeordnet sind. Die Drosseln 32 sind mit der Abschlußplatte 1 abgedeckt. Das Maß der Drosselwirkung wird durch den Querschnitt der Drosseln 32 bestimmt.In a further embodiment of the invention, each ink channel 16 is expanded on both sides of its longitudinal extent by a substantially triangular region 33 , which is connected to the associated ink channel 16 via a spatial element with a small cross-section, referred to as throttle 32 , according to FIG. 11. The chokes 32 and the areas 33 are structured like the ink channels 16 in the chip 11 . The chip 11 is covered on the ink reservoir side by an end plate 1 . The end plate 1 has openings 2 which are assigned to the supply channels 15 and the extended areas 33 . The chokes 32 are covered with the end plate 1 . The degree of throttling effect is determined by the cross section of the throttles 32 .
BezugszeichenlisteReference list
1 Abschlußplatte
2 Öffnungen
3 Membran
9 Kontaktstellen
10 Auslaßöffnungen
11 Chip
12 Tintenvorratsbehälter
13 Schwamm
14 Filter
15 Versorgungskanäle
16 Tintenkanäle
17 Montageklammern
18 Ätzmaske
19 Ätzmaskenöffnung
20 Stege
24 Tintendruckkopf
25 Ausnehmung
27 Ätzstopschicht
28 Oxidschicht
29 Nitridschicht
30 Schräge Auslaufzonen
31 Restoxidschicht
32 Drossel
33 Erweiterter Bereich 1 end plate
2 openings
3 membrane
9 contact points
10 outlet openings
11 chip
12 ink supply containers
13 sponge
14 filters
15 supply channels
16 ink channels
17 mounting brackets
18 etching mask
19 etching mask opening
20 bridges
24 ink printhead
25 recess
27 etch stop layer
28 oxide layer
29 nitride layer
30 sloping discharge zones
31 residual oxide layer
32 throttle
33 Extended area
Claims (6)
- - jeder Tintenkanal (16) des Tintendruckkopfes (24) über mindestens eine separate Strömungsdrossel definierten Querschnittes mit dem jeweiligen Versorgungskanal (15) des Tintenvorratsbehälters (12) verbunden ist und
- - zwischen dem Chip und dem Tintenvorratsbehälter (12) eine Materialschicht vorgesehen ist und
- - die Strömungsdrossel aus den Elementen Chip (11) und Materialschicht zusammengesetzt ist, von denen ein Element Ausnehmungen in mindestens der dem anderen Element zugewandten Oberfläche aufweist.
- - Each ink channel ( 16 ) of the ink print head ( 24 ) is connected to the respective supply channel ( 15 ) of the ink reservoir ( 12 ) via at least one separate flow restrictor of defined cross section and
- - A material layer is provided between the chip and the ink reservoir ( 12 ) and
- - The flow restrictor is composed of the elements chip ( 11 ) and material layer, of which one element has recesses in at least the surface facing the other element.
- - die Ätzmaske (18) für jeden Tintenkanal (16) eine Mehrzahl von Ätzmasken Öffnungen (19) aufweist, die während des Ätzprozesses den Zugang des Ätzmittels zum Chip (11) freigeben und
- - mindestens ein Teil der zu einem Tintenkanal (16) gehörenden Ätzmasken Öffnungen (19) im Bereich der Tintenversorgung angeordnet ist.
- - The etching mask ( 18 ) for each ink channel ( 16 ) has a plurality of etching masks openings ( 19 ) which during the etching process enable the etchant to access the chip ( 11 ) and
- - At least some of the etching masks ( 19 ) belonging to an ink channel ( 16 ) are arranged in the area of the ink supply.
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Legal Events
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Owner name: EASTMAN KODAK CO., ROCHESTER, N.Y., US |
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| R071 | Expiry of right |